JP7769552B2 - 電池管理装置および電池管理システム - Google Patents

Description

本発明は、電池管理装置および電池管理システムに関し、特に、電池の充放電を行う技術に関する。

電池の電力を用いて走行するハイブリッド自動車や電気自動車等の電動自動車が広く用いられている。電動自動車に対しては、電力供給事業者等が提供する電力供給網に接続された充電装置が、サービスステーションや駐車場等に設けられている。電動自動車の電池は充電装置によって充電される。

また、工場、オフィス、イベント会場等では、フォークリフト、運搬車等、電池を利用した電動装置が用いられている。複数の電動装置を工場やオフィス等の敷地内のあらゆる場所で用いるため、局所的に構築された電力供給網の要所に充電装置が接続された充電システムが開発されている。

このような充電システムに関連する技術として、電力供給網や負荷装置に接続された複数の充電装置を制御する技術が知られている。この技術では、制御装置が各充電装置から電池の充電状態を表す情報を取得し、各充電装置における電池の充電状態に応じて、制御装置が各充電装置を制御する。特許文献１には、このような技術を用いた分散型電源システムが記載されている。この分散型電源システムは、複数の電力変換部（充電装置）と、各電力変換部を制御する制御部（制御装置）とを備えている。各電力変換部には電池が接続されている。制御部は、複数の電力変換部のそれぞれから、電池のＳＯＣ（State Of Charge）を取得し、ＳＯＣに応じて各電力変換部の充放電制御を行う。

また、非特許文献１には、電池電力ストレージシステムが記載されている。このシステムでは、１つの電池と他の複数の電池とのＳＯＣの相違に応じて、システム全体におけるＳＯＣの平均値が各電池において推定され、推定結果に基づいて各電池の充放電制御が行われる。

特開２０１６－１１６４２８号公報

Zeraati, M., Golshan, M. E. H., & Guerrero, J. M. (2018). Distributed Control of Battery Energy Storage Systems for Voltage Regulation in Distribution Networks with High PV Penetration. I E E E Transactions on Smart Grid,9(4), 3582-3593.

従来技術における充電システムでは、各充電装置が、自らの電池の充電状態を示す情報を制御装置または他の充電装置に送信する必要があり、各充電装置に接続された電池の充放電制御が複雑となることがあった。

本発明は、負荷装置との間で充放電を行う複数の電池について、各電池の充放電制御を単純化することを目的とする。

本発明は、電池の充放電状態をそれぞれが管理する複数の管理装置を含む電池管理システムにおける、各前記管理装置として用いられる電池管理装置であって、前記電池が接続され、前記電池から負荷装置に供給され、あるいは電力源から前記電池に供給される供給電力を制御する充放電制御器と、電池エージェントと、を備え、前記電池管理システムは、複数の前記電池管理装置に対し、前記負荷装置または前記電力源に対する供給電力誤差を求める中央制御装置を備え、前記電池エージェントは、前記電池の充電状態を測定し、前記中央制御装置から前記供給電力誤差を受信し、前記充電状態および前記供給電力誤差に基づいて電力目標値を求め、前記充放電制御器は、前記電力目標値に基づいて、前記供給電力を制御し、前記中央制御装置は、複数の前記電池管理装置から前記負荷装置に供給され、または前記電力源から複数の前記電池管理装置に供給される電力を加算合計した総供給電力を求め、各前記電池管理装置から前記負荷装置に供給すべき要求電力、または前記電力源から各前記電池管理装置に供給すべき要求電力と前記総供給電力との差異に基づいて、前記供給電力誤差を求め、前記供給電力誤差を、各前記電池管理装置が備える前記電池エージェントに送信することを特徴とする。

望ましくは、前記電池エージェントは、前記充電状態に応じた時間変化率に基づき変化する前記電力目標値を求める。

望ましくは、前記電池エージェントは、前記充電状態に応じて制御ゲインを求め、前記制御ゲインに応じた時間変化率で変化する制御値を求め、取り得る値の範囲を制限するリミット処理を前記制御値に対して施すことで、前記電力目標値を求める。

望ましくは、前記リミット処理は、前記制御値が所定の可変範囲内であるときは、前記制御値の増加または減少に対して増加または減少するように、前記電力目標値を求め、前記制御値が前記可変範囲外であるときは、前記制御値の変化に対して上限値で一定または下限値で一定となる前記電力目標値を求める処理である。

望ましくは、前記電池エージェントは、前記電池の充電電荷量を示す値を測定し、前記電池の充電電荷量を示す値が所定範囲外であるときに、前記充放電制御器は、前記電池の充電または放電を停止する。

望ましくは、前記電池エージェントは、前記電池の劣化度を測定し、前記劣化度が所定の程度を超えたときに、前記充放電制御器は、前記電池の充電または放電を停止する。

望ましくは、前記電池エージェントは、前記電池の充電電荷量を示す値を測定し、前記電池の充電電荷量を示す値が目標値に一致し、または、前記電池の充電電荷量を示す値と目標値との差異が所定範囲内となったときに、前記充放電制御器は、前記電池の充電または放電を停止する。

また、本発明は、電池管理装置を複数含む電池管理システムにおいて、前記中央制御装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、負荷装置との間で充放電を行う複数の電池について、複数の電池の充放電制御を単純化することができる。

本発明の実施形態に係る電池システムを示す図である。 中央制御装置と電池エージェントが実行する処理のフローチャートである。 制御値φ_ｉに対する電力目標値ｙ_ｉを示す図である。 中央制御装置で測定される総供給電力ｙのシミュレーション結果を示す図である。 中央制御装置で求められる供給電力誤差ｅのシミュレーション結果を示す図である。 各電池管理装置で求められる電力目標値ｙ_ｉと、各電池のＳＯＣを示す図である。 充電時および放電時のそれぞれの制御ゲインを示す図である。 充電時および放電時のそれぞれの電力目標値を示す図である。 電池の等価回路を示す図である。

各図を参照して本発明の実施形態について説明する。複数の図面に示されている同一の事項については同一の符号を付してその説明を簡略化する。

図１には本発明の実施形態に係る電池管理システム１００が示されている。電池管理システム１００は、中央制御装置１０、電池管理装置１２－１～１２－Ｎ、電池１４－１～１４－Ｎ、および電力伝送線１８を備えている。電池１４－１～１４－Ｎは、それぞれ、電池管理装置１２－１～１２－Ｎに接続されている。電池管理装置１２－１～１２－Ｎは電力伝送線１８に接続されている。電力伝送線１８は、電池管理装置１２－１～１２－Ｎから離れた先で負荷装置２０および電力源２６に接続されている。電力伝送線１８は、交流電力を伝送する電力伝送線であってもよいし、直流電力を伝送する電力伝送線であってもよい。中央制御装置１０と、電池管理装置１２－１～１２－Ｎのそれぞれとの間は、通信回線２２で接続されている。また、中央制御装置１０と負荷装置２０との間は通信回線２４で接続され、中央制御装置１０と電力源２６との間は通信回線２８で接続されている。これらの通信回線は、無線通信回線、有線通信回線、またはこれらを組み合わせたものであってもよい。

電池管理装置１２－ｉ（ｉは１～Ｎのうちのいずれかの整数）は、電池エージェントＣｉおよび充放電制御器１６－ｉを備え、電池１４－ｉの充放電状態を管理する。電池エージェントＣｉは、プログラムを実行することで充放電制御器１６－ｉを制御するプロセッサであってよい。充放電制御器１６－ｉには電池１４－ｉが接続され、充放電制御器１６－ｉは、電力伝送線１８に接続されている。充放電制御器１６－ｉは、電池１４－ｉと電力伝送線１８との間で、直流／交流変換を行うＤＣ／ＡＣコンバータ回路を含んでよい。また、充放電制御器１６－ｉは、電池１４－ｉの出力電圧と電力伝送線１８の電圧との大小関係を調整するＤＣ／ＤＣコンバータ回路を含んでよい。充放電制御器１６－ｉは、電池エージェントＣｉの制御に従って電池１４－ｉから電力伝送線１８に出力される供給電力を調整する。ここで、供給電力が正であるときは、その供給電力は電池１４－ｉから電力伝送線１８に放電される電力を表す。供給電力が負であるときは、その供給電力の絶対値は電力伝送線１８から電池１４－ｉに充電される電力を表す。

各電池管理装置１２－ｉから電力伝送線１８を介して負荷装置２０に供給される電力を加算合計した電力（総供給電力）は、負荷装置２０に供給される。また、電力源２６から電力伝送線１８を介して各電池管理装置１２－ｉに供給された電力は、各電池１４－ｉに供給される。

図２には、中央制御装置１０と、各電池管理装置１２－ｉが備える電池エージェントＣｉが実行する処理のフローチャートが示されている。ステップＳ１１～Ｓ１４は中央制御装置１０が実行する処理であり、ステップＳ２１～Ｓ２２は、電池エージェントＣｉが実行する処理である。

中央制御装置１０は、通信回線２４を介して負荷装置２０から要求電力を取得する（Ｓ１１）。あるいは、中央制御装置１０は、通信回線２８を介して電力源２６から要求電力を取得する（Ｓ１１）。ここで、負荷装置２０の要求電力は、電力伝送線１８から負荷装置２０に供給すべき電力の目標値である。電力源２６の要求電力は、電力源２６から電力伝送線１８に供給すべき電力の目標値である。中央制御装置１０は、各電池管理装置１２－ｉから負荷装置２０に供給される総供給電力、あるいは、電力源２６から各電池管理装置１２－ｉに供給される総供給電力を測定する（Ｓ１２）。すなわち、中央制御装置１０は、各電池１４－ｉから負荷装置２０に供給される総供給電力、あるいは、電力源２６から各電池１４－ｉに供給される総供給電力を測定する（Ｓ１２）。中央制御装置１０は、要求電力から総供給電力の測定値を減算した供給電力誤差を求める（Ｓ１３）。中央制御装置１０は、各電池管理装置１２－ｉを制御するための制御情報を供給電力誤差に基づいて生成し、通信回線２２を介して各電池管理装置１２－ｉの電池エージェントＣｉに送信する（Ｓ１４）。制御情報は、供給電力誤差と、各電池１４－ｉが充電すべきであるか、放電すべきであるかを示す充放電指令フラグを含む。電池エージェントＣｉは、電池１４－ｉの充放電制御を制御情報に基づいて行う。

電池エージェントＣｉは、電池１４－ｉの充電状態を表す物理量としてＳＯＣ（State Of Charge）を測定する（Ｓ２１）。ＳＯＣは、電池の充電容量に対する充電電荷量を表す。電池エージェントＣｉは、中央制御装置１０から送信された制御情報と、電池１４－ｉのＳＯＣとに基づいて電力目標値ｙ_ｉを求める（Ｓ２２）。電力目標値ｙ_ｉは、電池１４－ｉから電力伝送線１８に供給される供給電力、あるいは、電力伝送線１８から電池１４－ｉに供給される充電電力についての目標値である。電池エージェントＣｉは、電力目標値ｙ_ｉを充放電制御器１６－ｉに出力する（Ｓ２３）。充放電制御器１６－ｉは、電池１４－ｉから電力伝送線１８に供給される供給電力、あるいは、電力伝送線１８から電池１４－ｉに供給される充電電力を電力目標値ｙ_ｉに近付け、または一致させる。

電池エージェントＣｉが電力目標値ｙ_ｉを求める処理について説明する。電池エージェントＣｉは、制御情報に含まれる供給電力誤差ｅに基づいて、（数１）に従って制御値φ_ｉを求める。（数１）は、Ｋ_ｉを制御ゲインとする比例積分に基づいて制御値φ_ｉを求めることを意味する。後述するように、電池エージェントＣｉは、電池１４－ｉのＳＯＣに応じて制御ゲインＫ_ｉを求める。

ここで、上に点が付されたφ_ｉは、制御値φ_ｉの時間微分を示す。以下の説明においても、上に点が付された変数は、その変数の時間微分を示す。制御ゲインＫ_ｉは、制御値φ_ｉの時間変化を調整する正の数である。

本実施形態に係る電池管理システム１００では、電池１４－１～１４－ＮがそれぞれのＳＯＣに応じた速度（単位時間当たりのＳＯＣの変化）で充放電を行うことで、時間経過と共に電池１４－１～１４－ＮのＳＯＣが均一化される。この制御は、電池１４－ｉのＳＯＣに基づいて制御ゲインＫ_ｉを決定することで行われる。ここでは、電池エージェントＣｉが制御ゲインＫ_ｉを決定し、制御値φ_ｉに基づいて電力目標値ｙ_ｉを求める処理について説明する。

電池エージェントＣｉは、制御情報に含まれる充放電指令フラグが放電要求を示すときは、図２のステップＳ２１で測定されたＳＯＣに基づいて、（数２）に従って制御ゲインＫ_ｉを求める。

ここで、Ｋ_ＬおよびＫ_Ｈは、ＳＯＣに対する制御ゲインＫ_ｉの特性を決定する任意の定数である。なお、（数２）では、ＳＯＣが１０％未満である場合、ＳＯＣが１０％以上２０％未満である場合、またはＳＯＣが９０％以上である場合には、制御値φ_ｉを強制的に０とするという条件が定められている。これによって、電池１４－ｉのＳＯＣが２０％以上９０％未満のときに、電池１４－ｉに対して放電制御が行われ、ＳＯＣが２０％未満、９０％以上であるときは、電池１４－ｉの放電が停止される。また、（数２）は、ＳＯＣが２０％以上８０％未満の範囲で、ＳＯＣの変化に対して正の傾き（Ｋ_Ｈ－Ｋ_Ｌ）／６０で制御ゲインＫ_ｉが変化し、ＳＯＣが大きい程、放電の速度が速くなることを意味する。制御ゲインＫ_ｉが変化する範囲は、Ｋ_Ｌ以上、Ｋ_Ｈ未満である。

制御値φ_ｉを求めた電池エージェントＣｉは、（数３）に従って電力目標値ｙ_ｉを求める。

（数３）が示す電力目標値ｙ_ｉは０または正の値である。電力目標値ｙ_ｉが正の値であることは電池１４－ｉを放電させることを意味する。ここで、φ_ｎｉおよびφ_ｐｉは、電力目標値ｙ_ｉの特性を定める任意の正の数である。Ｙ_ｐは、電力目標値ｙ_ｉの上限値を示す正の値である。ここでは充放電指令フラグは放電要求を示すので、Ｙ_ｐは放電電力最大値を示すこととなる。図３（ａ）には、制御値φ_ｉに対する電力目標値ｙ_ｉが示されている。横軸は制御値φ_ｉを示し、縦軸は電力目標値ｙ_ｉを示す。

電池エージェントＣｉは、制御情報に含まれる充放電指令フラグが充電要求を示すときは、図２のステップＳ２１で測定されたＳＯＣに基づいて、（数４）に従って制御ゲインを求める。

（数４）では、ＳＯＣが１０％以下である場合、ＳＯＣが８０％以上９０％未満である場合、またはＳＯＣが９０％以上である場合には、制御値φ_ｉを強制的に０とするという条件が定められている。これによって、電池１４－ｉのＳＯＣが１０％を超え、８０％以下であるときに、電池１４－ｉに対して充電制御が行われ、ＳＯＣが１０％以下、８０％を超えるときは、電池１４－ｉの充電が停止される。また、（数４）は、ＳＯＣが２０％を超え、８０％以下である範囲で、ＳＯＣの変化に対して負の傾き（Ｋ_Ｌ－Ｋ_Ｈ）／６０で制御ゲインＫ_ｉが変化し、ＳＯＣが小さい程、充電の速度が速くなることを意味する。制御ゲインＫ_ｉが変化する範囲は、Ｋ_Ｌ以上、Ｋ_Ｈ未満の範囲である。

制御値φ_ｉを求めた電池エージェントＣｉは、（数５）に従って電力目標値ｙ_ｉを求める。

（数５）が示す電力目標値ｙ_ｉは０または負の値である。電力目標値ｙ_ｉが負の値であることは、電池１４－ｉを充電することを意味する。ここで、－Ｙ_ｐは電力目標値ｙ_ｉの下限値を示す負の値である。ここでは充放電指令フラグは充電要求を示すので、Ｙ_ｐは充電電力最大値を示すこととなる。図３（ｂ）には、制御値φ_ｉに対する電力目標値ｙ_ｉが示されている。横軸は制御値φ_ｉを示し、縦軸は電力目標値ｙ_ｉを示す。

このように、電池エージェントＣｉは、（数１）～（数５）に従う処理によって、電池１４－ｉのＳＯＣ（充電状態）に応じた時間変化率に基づき変化する電力目標値ｙ_ｉを求める。電池エージェントＣｉは、電力目標値ｙ_ｉを充放電制御器１６－ｉに出力する。充放電制御器１６－ｉは、電力目標値ｙ_ｉが正の数であるときは、電池１４－ｉから電力伝送線１８に供給される電力を電力目標値ｙ_ｉに近付け、または一致させる。充放電制御器１６－ｉは、電力目標値ｙ_ｉが負の数であるときは、電力伝送線１８から電池１４－ｉに供給される充電電力を電力目標値の絶対値｜ｙ_ｉ｜に近付け、または一致させる。充放電制御器１６－ｉは、電力目標値ｙ_ｉが０であるときは、電池１４－ｉの充放電を停止する。

（数３）および（数５）に示されるように、制御値φ_ｉが所定の可変範囲内であるときは、制御値φ_ｉの増加または減少に対して増加または減少するように電力目標値ｙ_ｉが求められる。すなわち、制御値が－φ_ｐｉを超え、－φ_ｎｉ以下であるとき、または、φ_ｎｉ以上、φ_ｐｉ未満であるときは、制御値φ_ｉの増加または減少に対して増加または減少するよう電力目標値ｙ_ｉが求められる。また、制御値φ_ｉが可変範囲外であるときは、制御値φ_ｉの変化に対して上限値で一定または下限値で一定となる電力目標値ｙ_ｉが求められる。

このように、電池エージェントＣｉは、ＳＯＣに応じた時間変化率で変化する制御値φ_ｉを求め、取り得る値の範囲を制限するリミット処理を制御値φ_ｉに対して施すことで、電力目標値ｙ_ｉを求める。リミット処理は、制御値φ_ｉが所定の可変範囲内であるときは、制御値φ_ｉの増加または減少に対して増加または減少するように、電力目標値ｙ_ｉを求め、 制御値φ_ｉが可変範囲外であるときは、制御値φ_ｉの変化に対して上限値でＹ_ｐ一定または下限値－Ｙ_ｐで一定となる電力目標値ｙ_ｉを求める処理である。リミット処理によって、電池１４－ｉから過大な電力が電力伝送線１８に供給されることや、電池１４－ｉに過大な充電電力が供給されることが回避される。

また、（数２）～（数５）に示されるように、電池１４－ｉのＳＯＣが０に近い場合、および１００％に近い場合、すなわち、制御値φ_ｉが０に近い場合には、電力目標値ｙ_ｉは０となっている。一般に電池は、充電電荷量が０であるときや、満充電状態のときには、電力効率が低くなることがある。（数１）～（数５）に示される制御によれば、電池１４－ｉの電力効率が比較的高いＳＯＣの範囲で、電池１４－ｉの充放電が行われる。

各電池エージェントＣｉが（数１）～（数５）に従う制御を実行することで、電池１４－１～１４－Ｎは、それぞれのＳＯＣに応じた速度（単位時間当たりのＳＯＣの変化）で充放電を行う。これによって、時間経過と共に電池１４－１～１４－ＮのＳＯＣが均一化され、特定の電池への電気的負担が大きくなることが回避される。例えば、特定の電池に接続された充放電制御器での損失が大きくなったり、特定の電池の寿命が他の電池よりも短くなったりすることが回避される。

また、ＳＯＣが所定範囲内（上記の例では、放電時には２０％以上、９０％未満の範囲、充電時には１０％を超える、８０％以下である範囲）でない電池１４－ｋ（ｋは１～Ｎのうちいずれかの整数）については、電力目標値ｙ_ｋが強制的に０とされる。すなわち、電池１４－ｋの充電電荷量を示す値が所定範囲外であるときに、充放電制御器１６－ｋは、電池１４－ｋの充電または放電を停止する。このように電池１４－ｋの充放電制御が停止された場合であっても、他の電池管理装置において（数１）～（数５）に従う制御が行われ、総供給電力の不足分が他の電池によって補われる。

なお、電池エージェントＣｉは、電池１４－ｉの劣化度を測定する劣化度測定器を構成してもよい。劣化度は、例えば、ＳＯＨ（State Of Health）が小さいほど、大きくなる値であってよい。ここで、ＳＯＨは、電池が新品であるときの充電容量（Ａｈ）に対する、現時点の充電容量（Ａｈ）の比率として定義される。図２に示されるステップＳ２２では、電池１４－ｉの劣化度が所定の程度を超えたときに、電力目標値ｙ_ｉを強制的に０としてよい。これによって、電池１４－ｉの劣化度が所定の程度を超えたときに、充放電制御器１６－ｉは、電池１４－ｉの充電または放電を停止する。

また、電池エージェントＣｉは、電池１４－ｉのＳＯＣが予め定められた目標値となったとき、または電池１４－ｉのＳＯＣと目標値との差異が所定範囲内となったときに、電力目標値ｙ_ｉを強制的に０としてよい。この場合、充放電制御器１６－ｉは、電池１４－ｉのＳＯＣが目標値に一致し、または、電池１４－ｉのＳＯＣと目標値との差異が所定範囲内となったときに、電池１４－ｉの充電または放電を停止する。これによって、ＳＯＣが目標値に近付けられ、または一致した電池１４－ｉの充放電制御が停止される。

電池１４－ｉの充放電制御が停止された場合であっても、他の電池管理装置において（数１）～（数５）に従う制御が行われ、総供給電力の不足分が他の電池によって補われる。

本実施形態に係る電池管理システム１００では、中央制御装置１０から各電池管理装置１２－ｉには、各電池管理装置１２－ｉに対して共通の制御情報が送信される。各電池管理装置１２－ｉは、電池管理システム１００において共通の制御情報に従って、自律分散的に電池１４－ｉの充放電制御を行う。これによって、中央制御装置１０と各電池管理装置１２－ｉとの間で伝送される情報量が削減されると共に、電池管理システム１００における複数の電池１４－１～１４－Ｎの充放電制御が単純化される。

図４には、電池管理システム１００において、中央制御装置１０で測定される総供給電力ｙのシミュレーション結果が示されている。横軸は時間を示し、縦軸は総供給電力ｙを示す。図４の下段に示されているように、総供給電力ｙが正となり電力伝送線１８から負荷装置２０に電力が供給される第１状態と、総供給電力ｙが負となり電力源２６から電力伝送線１８に電力が供給される第２状態が時間経過と共に繰り返されている。図４の上段の左右に示された総供給電力ｙの特性は、下段に示された総供給電力ｙの特性を縦軸方向および横軸方向に拡大したものである。図４の上段左側には、電池管理システム１００が第２状態から第１状態に遷移する際の総供給電力ｙが、要求電力ｙ_ｒと共に示されている。図４の上段右側には、電池管理システム１００が第１状態から第２状態に遷移する際の総供給電力ｙが、要求電力ｙ_ｒと共に示されている。このように、図４の上段の左右には、総供給電力ｙが要求電力ｙ_ｒに追随して変化することが示されている。

図５には、中央制御装置１０で求められる供給電力誤差ｅ＝ｙ_ｒ－ｙのシミュレーション結果が示されている。横軸は時間を示し、縦軸は供給電力誤差ｅを示す。図５の下段に示されているように、電池管理システム１００が第２状態から第１状態に遷移するとき、および第１状態から第２状態に遷移するときに、供給電力誤差ｅが０でない値となる。図５の上段の左右に示された供給電力誤差ｅの特性は、下段に示された供給電力誤差ｅの特性を縦軸方向および横軸方向に拡大したものである。図５の上段左側には、電池管理システム１００が第２状態から第１状態に遷移する際の供給電力誤差ｅが示されている。図５の上段右側には、電池管理システム１００が第１状態から第２状態に遷移する際の供給電力誤差ｅが示されている。このように、図５の上段の左右には、電池管理システム１００の状態が遷移するときに供給電力誤差ｅが０でない値となるものの、急速に０に収束することが示されている。

図６の上段には、Ｎ＝１０の場合について、電池管理装置１２－１～１２－１０で求められる電力目標値ｙ_ｉ（ｉ＝１～１０）が示されている。横軸は時間を示し、縦軸は電力目標値ｙ_ｉを示す。電力目標値ｙ_１が最も絶対値が大きく、電力目標値ｙ_１０が最も絶対値が小さい。すなわち、電力目標値ｙ_１、ｙ_２、・・・・ｙ_９、ｙ_１０の順に絶対値が大きい。図６の下段には、電池１４－ｉのＳＯＣとしてＳＯＣｉ（ｉ＝１～１０）が示されている。横軸は時間を示し縦軸はＳＯＣを示す。図６に示されている例では、電池管理システム１００が、時間経過と共に第１状態および第２状態を繰り返す。図６の下段に示されているように、ＳＯＣ１～ＳＯＣ１０のうち、ＳＯＣ１が最も値が大きい。以下、ＳＯＣ２、ＳＯＣ３、・・・・、ＳＯＣ１０の順に値が大きく、ＳＯＣ１０が最も値が小さい。

ｙ_ｉが正である第１状態では、原則、各電池管理装置１２－ｉから電力伝送線１８を介して負荷装置２０に電力が供給される。すなわち、各電池１４－ｉから電力伝送線１８に電力が放電される。ＳＯＣが大きい電池１４－ｉほど放電の速度が速く、単位時間当たりのＳＯＣの減少が大きい。ｙ_ｉが負である第２状態では、原則、電力源２６から電力伝送線１８を介して各電池管理装置１２－ｉに電力が供給される。すなわち、電力伝送線１８から各電池１４－ｉに電力が供給され各電池１４－ｉが充電される。ＳＯＣが小さい電池１４－ｉほど充電の速度が速く、単位時間当たりのＳＯＣの増加が大きい。

ただし、図６に示されている例では、時間帯ＴｓにおいてＳＯＣ１０が下限値以下となり、（数２）および（数３）に従って、電力目標値ｙ_１０は０となっている。時間帯ＴｓにおいてＳＯＣ１０の時間変化は０となる。また、時間帯Ｔｓにおいては、電力目標値ｙ_１０が０となった分だけ他の電池１４－１～１４－９の電力目標値ｙ_１～ｙ_９が増加している。すなわち、電池１４－１０が放電を停止したことによる総供給電力の不足分が、電池１４－１～１４－１０の放電電力によって補われている。

また、第１状態では、ＳＯＣが大きい電池１４－ｉほど放電の速度が速くなるように各電池１４－ｉの放電制御が行われ、第２状態では、ＳＯＣが小さい電池１４－ｉほど充電の速度が速くなるように各電池１４－ｉの充電制御が行われる。これによって、電池１４－１～１４－１０のＳＯＣは、時間経過と共に同一の値に収束する。したがって、特定の電池への電気的負担が大きくなることが回避される。

各電池管理装置１２－ｉの制御によって、Ｎ個の電池のＳＯＣが均一化される原理について詳細に説明する。電池１４－ｉのＳＯＣ（ＳＯＣｉ）をｘ_ｉ、電池１４－ｉの充電容量をｃａｐ_ｉ、電池１４－ｉから流出する電流をｉ_ｉとすると、ｘ_ｉは（数６）のように表される。

ここで、ｘ_ｉ（０）は時刻ｔ＝０における電池１４－ｉのＳＯＣである。（数６）の両辺を時間微分することで、（数７）が得られる。

供給電力誤差ｅ、制御ゲインＫ_ｉおよび制御値φ_ｉには、（数８）で表される関係がある。

制御ゲインＫ_ｉ（ｘ_ｉ）は、（数２）および（数４）に従って求められる制御ゲインＫ_ｉについて、ＳＯＣをｘ_ｉに置き換えたものである。図７（ａ）には、放電時の制御ゲインＫ_ｉ（ｘ_ｉ）が示されている。横軸はｘ_ｉを示し、縦軸は制御ゲインＫ_ｉ（ｘ_ｉ）を示す。制御ゲインＫ_ｉ（ｘ_ｉ）は、ｘ_ｍｉｎ以上、ｘ_ｍａｘ未満の範囲において、ｘ_ｉの変化に対して傾きβ_ｉで変化する。（数２）では、ｘ_ｍｉｎは２０％であり、ｘ_ｍａｘは８０％である。β_ｉは（Ｋ_Ｈ－Ｋ_Ｌ）／（ｘ_ｍａｘ－ｘ_ｍｉｎ）である。

図７（ｂ）には、充電時の制御ゲインＫ_ｉ（ｘ_ｉ）が示されている。横軸はｘ_ｉを示し、縦軸はＫ_ｉ（ｘ_ｉ）を示す。制御ゲインＫ_ｉ（ｘ_ｉ）の切片はβ_ｉ０であり、制御ゲインＫ_ｉ（ｘ_ｉ）は、ｘ_ｍｉｎを超える、ｘ_ｍａｘ以下の範囲において、ｘ_ｉの変化に対して傾き－β_ｉで変化する。（数４）では、ｘ_ｍｉｎは２０％であり、ｘ_ｍａｘは８０％である。－β_ｉは（Ｋ_Ｌ－Ｋ_Ｈ）／（ｘ_ｍａｘ－ｘ_ｍｉｎ）である。

制御値φ_ｉおよび電力目標値ｙ_ｉには、（数９）で表される関係がある。

図８（ａ）には放電時の電力目標値σ_ｉ（φ_ｉ）が示され、図８（ｂ）には充電時の電力目標値σ_ｉ（φ_ｉ）が示されている。放電時および充電時の電力目標値σ_ｉ（φ_ｉ）は、それぞれ、図３（ａ）および（ｂ）において、φ_ｎｉ＝０としたものである。すなわち、図３（ａ）および（ｂ）におけるφ_ｎｉが、十分小さい値であるとして０に近似されている。電力目標値σ（φ_ｉ）の制御値φ_ｉに対する傾きｇ_ｉは、Ｙ_ｐ／φ_ｐｉである。

ｘ_ｉの時間変化が十分に小さいものとして（数８）を時間積分すると、φ_ｉと制御ゲインＫ_ｉ（ｘ_ｉ）との関係を表す（数１０）が得られる。

ただし、Ｅは供給電力誤差ｅの時間積分値であり、（数１１）で表される。

（数７）～（数１１）、図７および図８に示された関係に基づいて、電力目標値ｙ_ｉは（数１２）のように表される。

ここで、σ_ｉ（φ_ｉ）の傾きｇ_ｉを、電池管理システム１００に属する電池１４－１～１４－Ｎに対して共通の任意の定数αを用いて（数１３）のように定義する。

この定義によって、電力目標値ｙ_ｉは、（数１４）のように表される。

図９には、電池１４－ｉの等価回路が示されている。電池１４－ｉは直流定電圧源３０と、内部抵抗３２が直列接続された回路によって表される。直流定電圧源３０の出力電圧（電池１４－ｉの開放電圧）をｖ_ｏｉとし、内部抵抗３２の抵抗値をＲ_ｉとした場合、電池１４－ｉの出力電圧ｖ_ｉおよび放電電力ｚ_ｉは、それぞれ、（数１５）および（数１６）のように表される。

以下の説明では、放電電力ｚ_ｉが電力目標値ｙ_ｉに一致しているものとする。電池１４－ｉの内部抵抗Ｒ_ｉが十分小さいものとすると、電池１４－ｉから流出する電流ｉ_ｉは、ｚ_ｉ／ｖ_ｏｉ＝ｙ_ｉ／ｖ_ｏｉとなる。したがって、充電時および放電時のＳＯＣ、すなわち、充電時および放電時のｘ_ｉは、ｉ_ｉ＝ｙ_ｉ／ｖ_ｏｉを（数７）に代入し、さらにはｙ_ｉに（数１４）を代入することで求められ、それぞれ、（数１７）および（数１８）のように表される。

（数１７）および（数１８）は、時定数がαＥの指数関数を解とする微分方程式である。（数１７）は、放電時の電池１４－ｉのＳＯＣが、時定数αＥで０％に向かって収束することを意味する。ｘ_ｉが０％に近付くほどｘ_ｉの時間変化が小さくなる。（数１８）は、充電時における電池１４－ｉのＳＯＣが、時定数αＥで１００％に向かって収束することを意味する。ｘ_ｉが１００％に近付くほど、ｘ_ｉの時間変化が小さくなる。このように、電池１４－ｉのＳＯＣは、収束値に近付くほど時間変化が小さくなるように、Ｎ個の電池１４－１～１４－Ｎについて共通の時定数αＥで変化する。したがって、Ｎ個の電池１４－１～１４－ＮのＳＯＣは、時間経過と共に同一の値に収束する。

１０ 中央制御装置、１２－１～１２－Ｎ 電池管理装置、１４－１～１４－Ｎ 電池、１６－１～１６－Ｎ 充放電制御器、１８ 電力伝送線、２０ 負荷装置、２２，２４，２８ 通信回線、２６ 電力源、３０ 直流定電圧源、３２ 内部抵抗。

Claims (8)

1. 電池の充放電状態をそれぞれが管理する複数の管理装置を含む電池管理システムにおける、各前記管理装置として用いられる電池管理装置であって、
   前記電池が接続され、前記電池から負荷装置に供給され、あるいは電力源から前記電池に供給される供給電力を制御する充放電制御器と、電池エージェントと、を備え、
   前記電池管理システムは、
   複数の前記電池管理装置に対し、前記負荷装置または前記電力源に対する供給電力誤差を求める中央制御装置を備え、
   前記電池エージェントは、
   前記電池の充電状態を測定し、
   前記中央制御装置から前記供給電力誤差を受信し、
   前記充電状態および前記供給電力誤差に基づいて電力目標値を求め、
   前記充放電制御器は、
   前記電力目標値に基づいて、前記供給電力を制御し、
   前記中央制御装置は、
   複数の前記電池管理装置から前記負荷装置に供給され、または前記電力源から複数の前記電池管理装置に供給される電力を加算合計した総供給電力を求め、
   各前記電池管理装置から前記負荷装置に供給すべき要求電力、または前記電力源から各前記電池管理装置に供給すべき要求電力と前記総供給電力との差異に基づいて、前記供給電力誤差を求め、
   前記供給電力誤差を、各前記電池管理装置が備える前記電池エージェントに送信することを特徴とする電池管理装置。
2. 請求項１に記載の電池管理装置において、
   前記電池エージェントは、
   前記充電状態に応じた時間変化率に基づき変化する前記電力目標値を求めることを特徴とする電池管理装置。
3. 請求項２に記載の電池管理装置において、
   前記電池エージェントは、
   前記充電状態に応じて制御ゲインを求め、
   前記制御ゲインに応じた時間変化率で変化する制御値を求め、
   取り得る値の範囲を制限するリミット処理を前記制御値に対して施すことで、前記電力目標値を求めることを特徴とする電池管理装置。
4. 請求項３に記載の電池管理装置において、
   前記リミット処理は、
   前記制御値が所定の可変範囲内であるときは、前記制御値の増加または減少に対して増加または減少するように、前記電力目標値を求め、
   前記制御値が前記可変範囲外であるときは、前記制御値の変化に対して上限値で一定または下限値で一定となる前記電力目標値を求める処理であることを特徴とする電池管理装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池管理装置において、
   前記電池エージェントは、前記電池の充電電荷量を示す値を測定し、
   前記電池の充電電荷量を示す値が所定範囲外であるときに、前記充放電制御器は、前記電池の充電または放電を停止することを特徴とする電池管理装置。
6. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池管理装置において、
   前記電池エージェントは、前記電池の劣化度を測定し、
   前記劣化度が所定の程度を超えたときに、前記充放電制御器は、前記電池の充電または放電を停止することを特徴とする電池管理装置。
7. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池管理装置において、
   前記電池エージェントは、前記電池の充電電荷量を示す値を測定し、
   前記電池の充電電荷量を示す値が目標値に一致し、または、前記電池の充電電荷量を示す値と目標値との差異が所定範囲内となったときに、前記充放電制御器は、前記電池の充電または放電を停止することを特徴とする電池管理装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電池管理装置を複数含む電池管理システムにおいて、前記中央制御装置を備えることを特徴とする電池管理システム。